一种多自由度空间并联压电微夹钳柔性铰链机构

1.本发明涉及微夹持技术领域，尤其涉及一种多自由度空间并联压电微夹钳柔性铰链机构。


背景技术：

2.基于两钳指的柔性结构微夹持器，国内外其他学者也进行了较为深入的研究。然而，目前对单零件平面微夹钳理论研究和结构上的创新，都无法满足不规则操作对象的稳定抓取、搬运、装配等操作，更无法对微小操作对象实现较为精准的定向控制。双钳指微夹持器通常在一块原料上加工而成，可以省去装配上的误差，但由于其结构较为复杂、加工精度要求较高，在实际加工过程中，需不断的改变夹持角度，不仅加工周期长、成本大，而且受不同方向力的作用，微夹持器较易变形、加工精度很难保证。在实际工程应用中，微夹钳需与其它构件配合使用，只在理论上追求一体成型微夹钳的无装配误差、无摩擦等优点，不但会限制应用范围，增加加工难度与加工成本，更会制约其结构的创新与发展。
3.现有常用的微夹持器虽然具备多自由度夹持但是大多属于两钳指，如现有公开号为cn110788834a的专利文献公开了一种三自由度柔性铰链机构式压电微夹钳，其实现了不仅让钳指能沿夹持反向和垂直反向产生微运动，还能沿钳指的长度方向发生微运动，实现三自由度微夹持。但是在研究中发现，在实现单自由度控制时，也产生与其垂直方向的微动，因此在实现多自由同时控制时，会出现动力重叠，会产生能以调节的夹持误差。申请人在基于无规则几何体微夹持时，为实现夹持稳定，设计了一种空间对称的并联多钳指微夹钳，可单个压电执行器同时驱动多个并联钳指，可实现多钳指位移与力的同步且平行输出。实现每个自由度移动时，能调平其垂直方向的产生的微动。因此设计一种多自由度空间并联压电微夹钳柔性铰链机构。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有上述背景技术中提及的问题而提出的一种多自由度空间并联压电微夹钳柔性铰链机构。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种多自由度空间并联压电微夹钳柔性铰链机构，包括底座，所述底座周向均布有多个支座，所述支座上安装有柔性钳指，所述底座上安装有与柔性钳指连接的支架，所述支架上安装有驱动柔性钳指的电压执行器，所述底座上安装有与支架连接的预紧件。本发明在底座侧边周向分布多个支座，将柔性钳指安装在支座上，使支座可围绕底座旋转调节改变角度，实现对多自由夹钳的调节，可适用于更多无规则结构的夹持，此外底座上安装有放置电压执行器的支架，通过将多个柔性钳指同时连接到支架上，实现单个压电执行器同时驱动三个夹钳位移与力的同步平行输出。
6.优选的，所述柔性钳指包括用于微夹持的夹钳、与夹钳连接的四边导向机构，所述四边导向机构安装于支座上并连接有杠杆放大机构，所述杠杆放大机构中部连接有与支架
连接的桥式放大机构。
7.优选的，所述四边导向机构包括正向四连杆、逆向四连杆，所述正向四连杆通过第一柔性链与逆向四连杆连接，所述正向四连杆端部与夹钳固定，所述逆向四连杆底部通过凸起与支座连接。本发明让正向四连杆固定端与逆向四连杆固定端相互平行并通过四个第一柔性链合围成矩形结构，正向四连杆与逆向四连杆的叠加连接形成两个长方形连杆，当四边导向机构在水平反向受力时可消除垂直于水平方向上的耦合位移，可使输出位移始终保持平行输出，提高夹持的稳定性更好。
8.优选的，所述杠杆放大机构包括杠杆、第二柔性链，所述杠杆通过两个对称分布的第二柔性链分别与正向四连杆及逆向四连杆连接。
9.优选的，所述桥式放大机构中部通过第三柔性链与桥式放大机构中部连接。
10.优选的，所述支架包括第一支撑座、第二支撑座，两个所述第一支撑座平行设置于底座上方，两个所述第一支撑座之间平行设有第二支撑座，所述电压执行器安装于第二支撑座并向上与位于上方的第一支撑座连接，所述第二支撑座底面周向均布有多个与位于下方的第一支撑座连接的导向杆。
11.优选的，两个所述第一支撑座上均安装有固定桥式放大机构的定位件。
12.优选的，位于下方的所述第一支撑座底面连接有穿入底座的第一支撑杆，所述第二支撑座底面设有穿过第一支撑杆并与其转动配合的第二支撑杆，所述预紧件分别与第一支撑杆及第二支撑杆连接并驱使其同向或反向移动。
13.优选的，所述预紧件包括插入底座的预紧轴，所述预紧轴外侧周向均布有多个与其传动配合的丝杆，所述丝杆分别穿过第一支撑杆及第二支撑杆的侧边并驱使其移动，所述丝杆穿过第一支撑杆与第二支撑杆的螺纹互为反向。本发明将桥式放大机构的两端分别连接到支架的两个第一支撑座上，通过预紧件改变两个第一支撑座的间距，改变桥式放大机构中柔性链带的弧度，扩大或减小柔性钳指的初始间距，改变了对物体的夹持范围，实现更精准的微夹持调节。
14.优选的，多个所述支座上连接有错位连接有连接件，所述连接件设于底座上并与其转动配合，所述底座上设有锁紧多个连接件的预紧螺母。
15.与现有技术相比，本发明提供了一种多自由度空间并联压电微夹钳柔性铰链机构，具备以下有益效果：（1）本发明在底座侧边周向分布多个支座，将柔性钳指安装在支座上，使支座可围绕底座旋转调节改变角度，实现对多自由夹钳的调节，可适用于更多无规则结构的夹持，此外底座上安装有放置电压执行器的支架，通过将多个柔性钳指同时连接到支架上，实现单个压电执行器同时驱动三个夹钳位移与力的同步平行输出。
16.（2）本发明让正向四连杆固定端与逆向四连杆固定端相互平行并通过四个第一柔性链合围成矩形结构，正向四连杆与逆向四连杆的叠加连接形成两个长方形连杆，当四边导向机构在水平反向受力时可消除垂直于水平方向上的耦合位移，可使输出位移始终保持平行输出，提高夹持的稳定性更好。
17.（3）本发明将桥式放大机构的两端分别连接到支架的两个第一支撑座上，通过改变两个第一支撑座的间距，改变桥式放大机构中柔性链带的弧度，扩大或减小柔性钳指的初始间距，改变了对物体的夹持范围，实现更精准的微夹持调节。
附图说明
18.图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明的柔性钳指正视结构示意图；图3为本发明的柔性钳指拆分结构示意图；图4为本发明的四边导向机构拆分结构示意图；图5为本发明的杠杆放大机构结构示意图；图6为本发明的支座及支架与底座连接结构示意图；图7为本发明的桥式放大机构与支架拆分结构示意图；图8为本发明的皮底座剖面后预紧件结构示意图。
19.图号说明：100、底座；101、预紧螺母；200、支座；201、连接件；300、柔性钳指；301、夹钳；302、四边导向机构；3021、正向四连杆；3022、逆向四连杆；3023、第一柔性链；3024、凸起；303、杠杆放大机构；3031、杠杆；3032、第二柔性链；3033、第三柔性链；304、桥式放大机构；400、支架；401、第一支撑座；402、第二支撑座；403、导向杆；404、定位件；405、第一支撑杆；406、第二支撑杆；500、电压执行器；600、预紧件；601、预紧轴；602、丝杆。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.实施例：请参阅图1，一种多自由度空间并联压电微夹钳柔性铰链机构，包括底座100，底座100周向均布有多个支座200，支座200上安装有柔性钳指300，底座100上安装有与柔性钳指300连接的支架400，支架400上安装有驱动柔性钳指300的电压执行器500，底座100上安装有与支架400连接的预紧件600。
23.下面结合附图，对本技术的一些实施方式进行详细说明：请参与图1，本技术提供了可实现多自由度空间夹持的压电微夹钳及对其调节铰链机构。其中多自由度的夹持是通过在底座100的侧边周向均匀连接多个支座200，在支座200上安装用于夹持的柔性钳指300，使得多个柔性钳指300呈环形分布提供多自由度的坚持；其中铰链机构包括用于支撑电压执行器500的支架400及对支架400的预紧件600等。
24.本实施例中，围绕底座100分布设置了三个支座200，并在每个支座200安装一个柔性钳指300，多个柔性钳指300同时连接到支架400之上，采用一个电压执行器500便可实现对三自由度的同时调节，既可保证其运动状态同步，又能实现输出位移一致。
25.请参阅图2-5，本实施例中，柔性钳指300由夹钳301、四边导向机构302、杠杆放大机构303、桥式放大机构304等组成；其中，桥式放大机构304主体为柔性链带，其两端及中部固定上连接座，桥式放大机构304两端的连接座通过定位件404与支架400连接，在启动电压执行器500时，实现位移
一级放大。
26.其中，杠杆放大机构303的杠杆3031中部一侧通过第三柔性链3033与桥式放大机构304中部的连接座连接固定，杠杆3031另一侧的两端侧边通过第二柔性链3032连接到四边导向机构302上，在启动电压执行器500时，实现位移二级放大。
27.而夹钳301安装在四边导向机构302端部，通过桥式放大机构304与杠杆放大机构303的两级位移放大后，传递到四边导向机构302上，实现夹钳301的夹持调节。其中的四边导向机构302则用于消除夹钳301在垂直于水平方向上的耦合位移，可使输出位移始终保持平行输出。
28.请参阅图3-4，本实施例中，四边导向机构302具体包括了正向四连杆3021、逆向四连杆3022，逆向四连杆3022安装在支座200上其顶面为逆向四连杆固定端并对称固定两个向上指向正向四连杆3021的第一柔性链3023，正向四连杆3021的下侧呈u型状，并在u型凹槽的内部悬空设置正向四连杆固定端，并通过两个第一柔性链3023与正向四连杆3021连接，其中逆向四连杆固定端的第一柔性链3023也穿入u型凹槽内部与正向四连杆固定端连接，四个第一柔性链3023相互平行设置。
29.具体是，正向四连杆固定端与逆向四连杆固定端相互平行并通过四个第一柔性链3023合围成矩形结构。正向四连杆3021与逆向四连杆3022的叠加连接形成两个长方形连杆，在四边导向机构302在x轴正向受力时，正向四连杆3021沿着y轴正方向所产生的寄生位移与逆向四连杆3022沿着y轴反方向所产生的寄生位移可相互抵消，通过四边导向机构302消除夹钳301在垂直于水平方向上的耦合位移，可使其输出位移始终保持平行输出。
30.请参阅图6-7，在实施例中，支架400安装在底座100上，在固定住电压执行器500的同时，还与杠杆放大机构303连接。支架400可通过预紧件600实现调节，来改变杠杆放大机构303的柔性链带状态，对位移的一级放大进行调控，来调节夹钳301的移动距离。
31.具体是，支架400由第一支撑座401、第二支撑座402、第一支撑杆405、第二支撑杆406等组成，让两个第一支撑座401平行设置在底座100的上方，两个第一支撑座401之间的位置平行设置第二支撑座402，在第二支撑座402的上方安装了电压执行器500，电压执行器500顶端与上侧的第一支撑座401连接，第二支撑座402与下侧第一支撑座401通过导向杆403连接，实现第一支撑座401与第二支撑座402的关联。
32.第一支撑杆405与第二支撑杆406均安装在底座100中，第一支撑杆405向上与下侧的第一支撑座401连接将其托起，第二支撑杆406穿过第一支撑杆405及下侧的第一支撑座401后与第二支撑座402连接。第一支撑杆405与第二支撑杆406可在底座100内部进行移动，利用预紧件600控制第一支撑座401与第二支撑座402同步同向或反向移动时，桥式放大机构304两端的连接座通过定位件404分别连接在两个第一支撑座401上，通过改变两个第一支撑座401的间距，实现对杠杆放大机构303的调节。
33.请参阅图8，本实施例中，预紧件600转动连接在底座100中，与第一支撑杆405与第二支撑杆406接触并对其进行调节。其中，预紧件600包括了预紧轴601、丝杆602等，预紧轴601穿入底座100并与其转动配合，采用多个丝杆602的均匀分布在预紧轴601的两侧，并通过齿轮传动配合，实现在预紧轴601转动时，调节驱使多个丝杆602同步转动，再让每个丝杆602均沿侧边同时穿过第一支撑杆405与第二支撑杆406并摩擦配合，丝杆602为双向对称螺纹，其穿过第一支撑杆405与第二支撑杆406的螺纹互为反向。通过转动预紧轴601可驱动第
一支撑杆405与第二支撑杆406同步同向或反向移动。
34.需要提及的是，本实施里中两个第一支撑座401同时移动且移动距离相同，可使桥式放大机构304中柔性链带的弧度变化更加均匀稳定。
35.在一些实施方式中，预紧轴601与底座100过盈配合，且具备较强的摩擦阻力，使预紧轴601需要在外力驱使下才能转动。
36.本发明主要通过预紧件600的初始调节减少两个第一支撑座401的距离，改变桥式放大机构304中柔性链带的弧度，使柔性钳指300具备初始向外的力，扩大多个夹钳301的初始间距，扩大了对物体的夹持范围。此外通过预紧件600的初始调节增加两个第一支撑座401的距离，改变桥式放大机构304中柔性链带的弧度，可使柔性钳指300具备初始向内的力，减小多个夹钳301的初始间距，改变其水平移动范围，降低或扩大一级放大范围，实现更精准的微夹持调节。
37.请参阅图6，本实施例中，支座200的端部连接套在底座100上并能实现转动的的连接件201，多个连接件201依次套在底座100上，并通过拧紧预紧螺母101将多个连接件201同时固定在底座100，并在松下预紧螺母101时，可调整改变支座200的位置，实现对柔性钳指300的调节，便于对不规则几何形状的夹持。
38.需要注意的是，第一支撑杆405与第一支撑座401、第二支撑杆406与第二支撑座402均为转动连接。可满足在支座200转动调节时，桥式放大机构304可同步移动。
39.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。